设计(8) 5安培硅平面大功率管设计

5A硅平面大功率管设计

（为上海市红卫皮革厂）

           这是我一生所有设计中，为社会创造财富最大的一项义务性设计(集体会战的项目除外)。

   那是在1960年代末，当时文革还在进行，但最疯狂打砸抢时期已过，社会上掀起一股红化高潮，到处都写毛语录和画毛主席像，我也在学校饭厅和第八第九宿舍的外墙上写过语录或画过毛主席像，后来又接受在校的上钢五村工宣队师傅要求，每天去上钢五厂，为他们的车间里画毛主席像，每天画一幅，一共画了十幅各个时期的油画像，完成归来后，刚到复旦大学西边200号（一间很大的办公室)，在墙上刚挂好里面叠着十张毛像上面复有自制九宫格的镜框，同事招兆铿陪着上海市红卫皮革厂一位年龄40多岁的技术员来找我，这位技术员向我说明如下来意：红卫皮革厂为了烘干皮革要用电气炉子，里面要用到5A硅平面大功率管。以前他们一直向元件五厂购买湿片来生产，一套湿片100元，只能使用5次就不好用了，更糟糕的是，生产出来的大功率管只只不合格：只能流出3A，流不出5A。因此他们想重新设计和自己生产掩膜，为此他们已找过我校物理系徐元华老师（一位专搞半导体工艺的老师），但没有成功，所以来这里找我。问我能不能想想办法，帮帮忙？

    我虽然能画图，但不知道晶体管掩膜是什么的图，我在此前，也曾为数学系办厂组设计过许多电子产品，但都是使用现成的晶体管，从来没有设计过晶体管，所以把这一事情交我来做，实在是专业不对口。我正在犹豫时这位技术员拿出了4张一套的掩膜给我看，我看到掩膜就和我非常熟悉的显微镜标本片【注】一样，只是上面没有盖玻片，掩膜中隐约可见的是一些线条组成到很有规则的图案，我想这样的图案应该比画毛主席要好画多了，就答应了他，帮助试试看。

　　我接下来的第一步工作是先要了解大功率晶体管的制造原理。为此去书店买了一本叫《硅平面工艺》的薄薄小书，并化了一个星期的时间看完了它，知道了大功率晶体管能产生出的电流和它发射极的周长成正比。然后是到数学力学系的材料实验室，用投影仪去观察他们给我的那一套掩膜片的图案，发现原有设计的发射极周长竟完全合格！应能产生出５Ａ电流。

    我接下来就用方格纸画了一张设计草图，将发射极周长加大到原来的５/３倍，并拿去给徐元华过目，他认真看了以后认为设计没有问题。我回来以后就想正式绘图，但心里总是在想为什么原来设计５安培合格的掩膜流不出５安培？是否还有什么其他因素造成？这一想法立刻使我想起稳压电源的内阻问题，于是再仔细考虑了原来的设计，是什么因素使得产生的电流流不出来，即电流从发射极产生到管子引出脚之间可能有哪些内阻？这样就又想出了缩短电流路程将王字形设计改成E字形，并由一个引出压块（pad）改成2块等两个措施，如后面图所示。

    方案定下后，我就到沪松路去买来过期的照相底片用纸（当时因我爱好无线电，熟悉全市许多电子处理品商店，沪松路上有买过期照相底片用纸是偶然路过看到），好像是每斤2角4分，我买了一桶回来。然后就裁下比一开报纸还大的4张来画掩膜版图，我一共用了10天时间画了这4张图纸。画好后就摊在200号的乒乓台子上，后来他们就来取走了。图纸形状大体如下：  

　　  原有掩膜片图示意，蓝色为基区，红色发射区　　　　　　　　　　　　   我改进的设计的掩膜片图的示意图

　　我的设计如上图右边所示(发射极引线未画出)，它与上左五厂原有设计改进了３处：

　　１.发射极周长增加，是原来的５/3倍；

　　２.发射极由王字型设计改为Ｅ字型设计；

　　３.引线压块（pad）由１个改成２个。

　　后来他们拿去我的设计投片生成，２个星期后，招兆铿告诉我一个消息：一次通过！而再过了两个星期又告诉我一个消息：他们想仿照我的图纸自己来设计，结果失败了。

　　此事这样就过去了，我也依旧做我的日常工作，把这当成我的正常工作的一个小小插曲。

　　直到改革开放后，电子工程系的同事邓铁军同志问起我有没有什么产品可以开发生产？这样我就和他到几个地方去调研，其中包括上海市红卫皮革厂。我们到了广西北路上的红卫皮革厂，看到传达室里坐着许多职工在聊天，当我们告知是来了解大功率管一事时，该厂职工非常激动地回忆起当时情景说：他们当时“拼命生产，直到把仓库堆满，还造起了大楼”，后来发展成为全市皮革总厂，搬出市区，到大场去发展了。

   我设计此大功率管化去的时间经历一个月（还有其它工作在手），其中一半时间是学习，因我原来对硅平面工艺完全不懂，是外行，要买相关专业书来看，看懂后才好动手设计。

   设计的5安培硅平面大功率管经济效益非常好,当时一只合格大功率管买117元，不合格的只能输出3A的也要买87元（当时来找我的红卫皮革厂技术员这样介绍说），按重量计算比白银要贵得多，与黄金价格也差不多可比了（当时1盎司黄金约40美元)，我们没有问他们产值，但117元一只的大功率管“把仓库堆满”的产值就可想而知了。

   至于为什么他们想进一步改进而没有能成功？这我想应该是设计图纸的工艺质量问题了。我是一个一直从事美工的人，从中学到部队，再到大学，我一直担任各种美工，文革期间，我也为学校或社会做各种美术工作，没有停过；我还感到这一段年龄时间我的竞技状态也非常好，而且实际画图时又采用了一些措施保证4张图纸之间能精确对齐（我做这一点时没有被人注意），而我画4张掩膜图纸的时间就是我在上钢五厂画十张毛主席油画的时间，我用了极端认真的态度，这种本领不是任何人轻易学得到手的。

【注】我在部队时学医，曾专门管理过显微镜和生物组织的显微镜片。曾去浙江医学院组织胚胎教研室学过一个多学期生物组织的显微镜片的制作过程。